實時數(shù)據(jù)庫技術(shù)在隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

李朝霞

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)在整個高速公路的運營管理以及緊急預(yù)案處理中發(fā)揮著極其重要的作用。隧道監(jiān)控系統(tǒng)主要完成對監(jiān)控區(qū)段內(nèi)所有隧道的全面監(jiān)視和控制，能實時監(jiān)測交通狀況、現(xiàn)場機(jī)電設(shè)備的工作狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)等信息；能通過先進(jìn)的監(jiān)控手段對交通進(jìn)行宏觀控制，以確保整個路段達(dá)到最佳運行狀態(tài)；能及時發(fā)現(xiàn)事故并協(xié)助處理，建立智能的交通決策系統(tǒng)，實現(xiàn)各個子系統(tǒng)的聯(lián)動控制，防止二次事故的發(fā)生；能預(yù)告交通擁擠和阻塞路段，及時疏散擁擠阻塞的交通流，減少交通延誤和損失，提高高速公路路網(wǎng)服務(wù)水平。

數(shù)據(jù)采集、實時控制、實時數(shù)據(jù)庫、通信及聯(lián)網(wǎng)、對I/O設(shè)備的支持等是隧道監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計需要考慮的主要內(nèi)容。隧道監(jiān)控系統(tǒng)需要監(jiān)控的現(xiàn)場設(shè)備復(fù)雜多樣，數(shù)據(jù)交互方式千差萬別，而且隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨，各省都建立了省級隧道監(jiān)控數(shù)據(jù)中心，要求各隧道監(jiān)控數(shù)據(jù)實時存儲并上傳，這就需要有一個實時數(shù)據(jù)庫作為隧道監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理的核心。

目前，許多應(yīng)用中的隧道監(jiān)控系統(tǒng)從嚴(yán)格意義上講并沒有真正的實時數(shù)據(jù)庫，只是在系統(tǒng)設(shè)計時開發(fā)了簡單的數(shù)據(jù)管理功能。若將系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)直接存儲，一方面會占用大量的系統(tǒng)存儲空間，另一方面還會直接影響數(shù)據(jù)的傳輸速度，降低數(shù)據(jù)讀取的實時性，極易出現(xiàn)系統(tǒng)卡死的現(xiàn)象。有一些較先進(jìn)的隧道監(jiān)控組態(tài)軟件具備獨立的實時數(shù)據(jù)庫組件，但其核心技術(shù)是保密的。除此之外，目前隧道監(jiān)控系統(tǒng)都要求具備歷史數(shù)據(jù)長期存儲功能，要保存的歷史數(shù)據(jù)非常多，這就涉及到如何合理規(guī)劃存儲方式的問題。

針對以上問題，部分隧道監(jiān)控系統(tǒng)另外配置了先進(jìn)的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（如PI數(shù)據(jù)庫、Info2Plus.21產(chǎn)品等），有的使用組態(tài)工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫，配合組態(tài)軟件一起使用，有的則結(jié)合實時數(shù)據(jù)庫技術(shù)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計了監(jiān)控系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。本文就實時數(shù)據(jù)庫技術(shù)在隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用展開研究。

1 實時數(shù)據(jù)庫技術(shù)在監(jiān)控領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

實時數(shù)據(jù)庫（RTDB－Real Time Database）是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)發(fā)展的一個分支，是數(shù)據(jù)庫技術(shù)結(jié)合實時處理技術(shù)產(chǎn)生的。實時數(shù)據(jù)庫并不是數(shù)據(jù)庫技術(shù)和實時系統(tǒng)兩者的簡單結(jié)合，而需要對實時數(shù)據(jù)庫一系列的概念、理論、技術(shù)、方法和機(jī)制進(jìn)行逐一研究和開發(fā)。

實時數(shù)據(jù)庫應(yīng)具有永久的數(shù)據(jù)管理、有效的數(shù)據(jù)存取、任務(wù)的調(diào)度與并發(fā)控制、存取控制和安全性檢查、數(shù)據(jù)庫恢復(fù)機(jī)制等基本功能，同時還要滿足事務(wù)的實時性和高效性。目前市場上流行的實時數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，國外主要有美國OSI公司推出的PI數(shù)據(jù)庫（適用于電力、石油、化工行業(yè)）、美國ASPEN公司的Info2Plus.21產(chǎn)品（主要應(yīng)用于石油、化工領(lǐng)域）、英國Wonderware公司的Industrial SQL Sever產(chǎn)品（主要適用于工廠生產(chǎn)層管理等），國內(nèi)主要有力控、SuperInfo等。

以下文獻(xiàn)介紹了實時數(shù)據(jù)庫在各個行業(yè)中監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用：文獻(xiàn)[1-2]介紹了實時數(shù)據(jù)庫在化工企業(yè)的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，分析了石化企業(yè)大型實時數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用環(huán)境和功能需求，并介紹了應(yīng)用后的效果；文獻(xiàn)[3-5]針對電力行業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)對實時數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)平臺、數(shù)據(jù)存儲效率、接口技術(shù)和系統(tǒng)訪問結(jié)構(gòu)等方面的要求，做出了相應(yīng)的設(shè)計；文獻(xiàn)[6-8]介紹了PI實時數(shù)據(jù)庫在電廠SIS系統(tǒng)、石油化工和風(fēng)力發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用；文獻(xiàn)[9]介紹了國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫三維力控在勝利油田中的應(yīng)用；文獻(xiàn)[10]對某石化企業(yè)聚乙烯生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了應(yīng)用設(shè)計，開發(fā)了接口程序并將PI實時數(shù)據(jù)庫應(yīng)用于現(xiàn)場；文獻(xiàn) [11]以封裝嵌入式數(shù)據(jù)庫Berkeley DB作為內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，結(jié)合實時任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)，設(shè)計了適合監(jiān)控組態(tài)軟件的高性能實時數(shù)據(jù)庫。

通過上述文獻(xiàn)的綜述可知：監(jiān)控領(lǐng)域中實時數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用越來越廣泛，研究也越來越深入，無論是應(yīng)用國外先進(jìn)的實時數(shù)據(jù)庫還是自主開發(fā)組件配合實時數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用，或是自主開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫等，都可以實現(xiàn)相應(yīng)功能。實時數(shù)據(jù)庫關(guān)系到監(jiān)控系統(tǒng)的實時性、可靠性和穩(wěn)定性，合理的設(shè)計有助于監(jiān)控系統(tǒng)性能的更好發(fā)揮。而且在許多領(lǐng)域中，實時數(shù)據(jù)庫還可為先進(jìn)的控制算法、模型辨識、在線優(yōu)化、預(yù)測控制等提供必不可少的數(shù)據(jù)支持。

2 隧道監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

隧道監(jiān)控系統(tǒng)在隧道監(jiān)控信息化環(huán)境中起到承上啟下的作用，它向下與底層的現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)，向上與信息管理層互通。隧道監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，可分為I/O驅(qū)動系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和圖形界面系統(tǒng)3層。

從圖中可以看出，隧道現(xiàn)場設(shè)備與I/O驅(qū)動系統(tǒng)相連，通過它與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊，相互交換數(shù)據(jù)；中間層的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)管理的中心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、存儲、報警監(jiān)測、數(shù)據(jù)計算與控制；最上層的圖形界面系統(tǒng)直接面向用戶，顯示隧道實時運行狀態(tài)并下發(fā)用戶的各類控制指令。由此可見，實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在隧道監(jiān)控系統(tǒng)中扮演著“黑匣子”的角色。

圖1 隧道監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

3 隧道監(jiān)控系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫設(shè)計

3.1 需求分析

隧道監(jiān)控系統(tǒng)需要交互的數(shù)據(jù)源多，并且多為動態(tài)數(shù)據(jù)，大致有以下特征。

3.1.1 數(shù)據(jù)源多

隧道監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控的設(shè)備眾多，數(shù)據(jù)源一般涉及：車流量、車速、車道占有率、CO濃度、能見度、風(fēng)速風(fēng)向、洞內(nèi)外光強(qiáng)、火災(zāi)手報信息、光纖傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)、情報板數(shù)據(jù)、風(fēng)機(jī)狀態(tài)、照明狀態(tài)、車道指示器狀態(tài)、電話廣播狀態(tài)、視頻信息及對各類設(shè)備的控制參數(shù)等。

3.1.2 實時動態(tài)性

由于隧道內(nèi)監(jiān)控數(shù)據(jù)是時刻更新的，新的數(shù)據(jù)源源不斷產(chǎn)生，因此獲取數(shù)據(jù)時必須同步時間戳并快速更新，保證應(yīng)用層能及時獲取準(zhǔn)確的實時數(shù)據(jù)。

因此隧道監(jiān)控數(shù)據(jù)系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫除具備一般數(shù)據(jù)庫功能外，還應(yīng)具備以下功能：

a）提供與多個數(shù)據(jù)源的接口，通過各類通用或?qū)Ｓ媒涌谂cPLC、智能儀表等現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行通訊，讀寫通訊模塊中輸入/輸出的實時數(shù)據(jù)，具備時間約束和高讀寫性能。

b）對輸入/輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫前對數(shù)據(jù)進(jìn)行上下限判斷、量程轉(zhuǎn)換、運算等，對發(fā)往現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出上下限檢測及完成輸出記錄等。

c）保存歷史數(shù)據(jù)，新的數(shù)據(jù)產(chǎn)生后，舊的數(shù)據(jù)作為歷史數(shù)據(jù)存儲，支持對數(shù)據(jù)的邏輯壓縮和物理壓縮。

d）提供多種觸發(fā)機(jī)制和定時機(jī)制，保證數(shù)據(jù)的實時性、一致性和有效性。

e）提供腳本支持功能，支持多種運算操作、控制語句及函數(shù)等，以實現(xiàn)靈活的數(shù)字計算功能和高級的控制算法。

3.2 設(shè)計內(nèi)容

根據(jù)具體隧道監(jiān)控工程項目需求的不同，數(shù)據(jù)庫設(shè)計的內(nèi)容和側(cè)重點也會有所區(qū)別。總的來說，大致包括以下內(nèi)容：

a）將I/O變量表裝入實時數(shù)據(jù)庫中，用數(shù)組的形式存儲變量表中的內(nèi)容。

b）根據(jù)實時數(shù)據(jù)庫中的變量名稱，通過數(shù)據(jù)接口采集變量名對應(yīng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并存入實時數(shù)據(jù)庫中。

c）根據(jù)不同的數(shù)據(jù)對象分別設(shè)計不同的實時數(shù)據(jù)表，用于存放實時數(shù)據(jù)的多種變量屬性。將采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理后得到過程值。

d）將實時數(shù)據(jù)庫存儲到關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，以便系統(tǒng)的再次調(diào)用。

e）對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如判斷報警條件、報警類型、報警級別等，并存儲報警信息和歷史數(shù)據(jù)信息到關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。

f）定義用戶程序接口函數(shù)，以便用戶、其他程序能夠通過API函數(shù)訪問實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

隧道監(jiān)控系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫需要高效采集不同數(shù)據(jù)接口采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并存入關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，同時需提供接口與其他應(yīng)用程序進(jìn)行對接。根據(jù)隧道監(jiān)控系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫的需求特點，設(shè)計其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 隧道監(jiān)控系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.4 數(shù)據(jù)存儲策略

隧道監(jiān)控系統(tǒng)需要實時數(shù)據(jù)庫提供快速、準(zhǔn)確的實時信息，這就要求實時數(shù)據(jù)庫在系統(tǒng)運行過程中應(yīng)常駐內(nèi)存，占用空間盡可能小，以保證數(shù)據(jù)讀取和存儲的速度，可采用如下存儲策略[12]：

a）對于實時性要求高的動態(tài)數(shù)據(jù)，為保證其響應(yīng)速度，將其存放于內(nèi)存；

b）對于需長期保存的歷史數(shù)據(jù)，將其存于外部關(guān)系數(shù)據(jù)庫中；

c）對于系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)，可存放于文件管理系統(tǒng)中。

實時數(shù)據(jù)庫以動態(tài)鏈接庫（DLL）的形式實現(xiàn)，對外提供開放式的接口，用戶通過應(yīng)用編程接口（API）訪問數(shù)據(jù)庫。

3.5 數(shù)據(jù)庫接口設(shè)計

隧道監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源主要有由“組態(tài)軟件+PLC”建立的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（如 Microsoft Access、SQL Server、Oracle）、直接連接硬件設(shè)備和通過人機(jī)界面人工錄入的數(shù)據(jù)。

根據(jù)采集的方式方法，其數(shù)據(jù)接口需考慮以下幾種：

a）通過調(diào)用I/O接口函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制數(shù)據(jù)的回送。

b）通過OPC、DDE等標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范與設(shè)備廠商或第三方提供的OPC/DDE服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

c）通過開放的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫接口（如ODBC、DAO、ADO等）與其他數(shù)據(jù)庫連接。

d）開發(fā)一組基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的驅(qū)動程序，如MODBUS等，并提供一套用戶編寫新驅(qū)動程序的方法和接口。驅(qū)動程序以DLL的形式連接到服務(wù)器，再通過COM技術(shù)完成與數(shù)據(jù)總線的通信，最終傳到實時數(shù)據(jù)庫中。

4 結(jié)語

先進(jìn)的隧道監(jiān)控系統(tǒng)離不開實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，它的性能關(guān)系到整個監(jiān)控系統(tǒng)運行的實時性和穩(wěn)定性。實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)如何設(shè)計是隧道監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵所在，合理的實時數(shù)據(jù)庫設(shè)計有助于隧道監(jiān)控系統(tǒng)性能的更好發(fā)揮，也可為整個高速公路的運營提供非常有價值的數(shù)據(jù)支撐。